Cómo exprimir los transductores acústicos piezoeléctricos en los dispositivos cada vez más pequeños
Cómo exprimir los transductores acústicos piezoeléctricos en los dispositivos cada vez más pequeños
El software de simulación de Multiphysics puede ayudar a ingenieros en el diseño de los transductores acústicos piezoeléctricos para cubrir las demandas de la miniaturización del dispositivo.
Qué usted aprenderá:
El uso amplio de la tecnología piezoeléctrica.
Porqué tendencias de miniaturizar los dispositivos mientras que conserva los actuales desafíos de la precisión para los ingenieros de diseño.
Cómo las herramientas de software del multiphysics pueden dirigir los desafíos inherentes del multiphysics de diseñar los transductores acústicos piezoeléctricos.
La miniaturización y la sofisticación cada vez mayores de productos electrónicos, extendiéndose de los dispositivos de los medios del consumidor a las herramientas de diagnóstico médicas a los usos defensa-relacionados del sonar, presenta una generosidad de la utilidad y facilita para consumidor-y un desafío en curso para los ingenieros de diseño. Estos la parte aparentemente dispar de los productos (audios/los altavoces móviles del dispositivo, ciertos aparatos médicos no invasores, y los órdenes de sonar) en común una confianza en los transductores piezoeléctricos a ambas genera y recibe señales acústicas.
Los materiales piezoeléctricos se han valorado desde la primera mitad del siglo XX para que su capacidad convierta energía mecánica en energía eléctrica y vice versa. Sin embargo, demandas del siglo XXI de la tecnología que estos mismos materiales producir frecuencias más sanas o más exactas dentro de paquetes más pequeños y más pequeños, todos mientras que utiliza como pequeña energía como sea posible.
El desafío de diseñar los dispositivos piezoeléctrico-que contienen es intrínsecamente multiphysics en la naturaleza debido a la confluencia de electricidad, de vibración, y de acústica. Así, los diseñadores deben tener herramientas que puedan calcular la física múltiple dentro de sus productos.
Descripción material piezoeléctrica
Los materiales piezoeléctricos son los materiales que pueden producir la electricidad debido a la tensión mecánica, tal como compresión. Estos materiales también pueden deformar cuando se aplica el voltaje (electricidad). Los materiales piezoceramic típicos, de cerámica o cristalino no-conductor, se ponen entre dos placas de metal.
Para generar piezoelectricidad, el material debe ser comprimido o ser exprimido. La tensión mecánica aplicada al material de cerámica piezoeléctrico genera electricidad. El efecto piezoeléctrico puede ser invertido, que se refiere como el efecto piezoeléctrico inverso. Esto es creada aplicando voltaje eléctrico para hacer un encogimiento cristalino piezoeléctrico o para ampliarse. El efecto piezoeléctrico inverso convierte energía eléctrica a la energía mecánica.
Los materiales piezoeléctricos se encuentran en un arsenal asombrosamente de productos diarios. La llama que salta a la vida en que usted presiona el botón de un encendedor de la “tecleo-y-llama” fue ayudada en existencia por la compresión del material piezoeléctrico, que produce una chispa.
Ahora, miremos algunos otros productos que presenten más de un desafío para los ingenieros de diseño debido a la necesidad de la salida creciente dentro de dispositivos más pequeños.
Mics y Presidentes
Los materiales piezoeléctricos se utilizan extensivamente en acústica. Los micrófonos contienen los cristales piezoeléctricos que convierten las ondas acústicas entrantes en las señales que entonces se procesan para crear el sonido amplificado saliente. Los pequeños altavoces, tales como ésos dentro de los teléfonos celulares y de otros dispositivos móviles, también son conducidos por los cristales piezoeléctricos. La batería del dispositivo vibra el cristal en una frecuencia que produzca el sonido.
El desafío aquí está en el diseño de los transductores piezoeléctricos que pueden producir el sonido de la muy-alto-calidad dentro de un pequeño paquete, y sin el drenaje de demasiado de la batería del dispositivo.
Aparatos médicos
Los aparatos médicos no invasores tales como audífonos también confían en el piezoelectrics para una porción de su operación. , Hace así pues, también la tecnología del ultrasonido, que es un uso importante del material piezoeléctrico.
En ultrasónicos, los materiales piezoeléctricos se electrifican para crear las ondas del sonido de alta frecuencia (entre 1,5 y 8 megaciclos) que pueden penetrar tejidos corporales. Mientras que las ondas despiden detrás, los cristales piezoeléctricos convierten la energía mecánica recibida en la energía eléctrica, enviándola de nuevo a la máquina del ultrasonido para la conversión en una imagen.
Otros aparatos médicos tales como escalpelos armónicos utilizan las propiedades vibratorias de los materiales piezoeléctricos para cortar y para cauterizar el tejido durante cirugía. Los cristales piezoeléctricos dentro del dispositivo generan la energía cinética y la energía térmica necesarias para cortar y para cauterizar simultáneamente.
Los desafíos ultrasónicos del diseño se centran en la necesidad de determinar la forma correcta y la composición material de los componentes piezoeléctricos para crear las frecuencias muy exactas usadas en ultrasonido. Y, en el ejemplo de escalpelos armónicos, el diseño debe explicar los efectos de calor sobre la respuesta vibratoria del dispositivo.
Sonar
El uso quizás más amplio y más prolongado de la tecnología piezoeléctrica se puede encontrar dentro de usos del sonar. Durante Primera Guerra Mundial, el sonar era el primer uso comercial de la piezoelectricidad, y su uso se elevó súbitamente en el período entre las dos guerras mundiales.
Hoy, todos los sistemas sonar-basados, incluyendo ésos usados por los militares, los pescadores comerciales, y en numeroso otros usos marinos, utilizan un transductor piezoeléctrico-que contiene a para generar y para recibir ondas acústicas.
Por más de 100 años, los transductores piezoeléctricos se han utilizado para localizar objetos sumergidos. (iStock)
Parece simple, pero el diseño de los transductores para la propagación del sonido a través del agua bastante que el aire puede presentar su propio sistema de desafíos que dirigen complejos. Estos usos requieren a menudo el dispositivo piezoeléctrico generar señales de alta potencia de propagar distancias largas sin la atenuación debajo de niveles perceptibles.
Nuevas aplicaciones
Un uso emergente de materiales piezoeléctricos está dentro de tecnología de energía-cosecha. Debido a las propiedades únicas de materiales piezoeléctricos, pueden ser utilizados con éxito en cualquier uso que requiera o produzca la vibración.
En la energía que cosecha, la vibración exógena produce una tensión mecánica al material piezoeléctrico que se convierte a la energía eléctrica. Esa energía piezoeléctrico-creada se puede entonces utilizar para accionar otros componentes del dispositivo o del sistema.
los sistemas de la neumático-presión-supervisión de la Batería-independiente (TPMS) representan un tal ejemplo. Mientras que los neumáticos de un vehículo giran, se produce la energía mecánica. Un sensor piezoeléctrico-que contiene cosecha que la energía, lo almacena, y envía una señal al panel de la exhibición del conductor. TPMSs ha sido históricamente con pilas, pero el interés cada vez mayor en alternativas respetuosas del medio ambiente de la batería ha llevado a un nuevo foco en el potencial de energía-cosecha de materiales piezoeléctricos.
Viejo descubrimiento, desafíos modernos
Aunque los materiales piezoeléctricos se hayan utilizado por encima un siglo, la necesidad actual de su uso dentro de productos más pequeños y más complejos presenta un desafío para los ingenieros de diseño. Elegir los materiales correctos y el diseño de la forma cristalina correcta son críticamente importantes para la función de un prototipo.
Piezos tiene las propiedades materiales muy complejas que se entrelazan altamente, y materias materiales de la composición. Semejantemente, si la forma de un cristal piezoeléctrico no produce la frecuencia resonante correcta, el dispositivo no funcionará. Y, en lockstep elegante con el “efecto del observador,” la misma electrificación de un cristal piezoeléctrico deforma su forma mientras que también produce más electricidad.
Es un bucle de retroalimentación increíblemente complicado que grita para una solución del diseño que elimine la conjetura implicada en procesos muy largos del prototipo de la estructura-prueba.
Porqué materias de la simulación
La simulación es siempre útil al ocuparse de ausencias de linealidad. Previene a diseñadores de la tarea desagradecida (y a menudo budgetarily irrealizable) del edificio y de la prueba en medio de demasiados desconocido. Al considerar los transductores electroacústicos, la combinación única de energía eléctrica, de energía mecánica, y de acústica es decididamente no lineal, e intrínsecamente multiphysics en naturaleza.
La simulación de Multiphysics puede proveer de ingenieros de diseño las herramientas para desarrollar productos más eficazmente permitiéndoles simular sus diseños del dispositivo dentro de condiciones de funcionamiento. Además, estas simulaciones pueden incluir el ecosistema entero del circuito de control al transductor piezoeléctrico al ambiente acústico circundante. Las simulaciones de Multiphysics tendrán en cuenta factores por ejemplo:
Las ecuaciones constitutivas de la respuesta mecánica y eléctrica
Dirección de Poling de propiedades materiales piezoeléctricas
Condiciones de límite
Mecánicos estructurales/calefacción vibratoria
Mientras que los dispositivos piezoeléctrico-dependientes llegan a ser más pequeños y más complejos para cubrir las demandas de consumidores sofisticados (ser esos individuos o industrias), los ingenieros de diseño deben tener herramientas que calculen la física múltiple dentro de sus productos. Las herramientas de la simulación de Multiphysics pueden proporcionar claridad y la dirección a los desafíos complicados del diseño.
